Cum se implementează o conectivitate wireless sigură și robustă pentru energie și utilități inteligente

Comunicațiile wireless, inclusiv rețelele locale și conectivitatea în cloud, reprezintă un element esențial într-o serie de sisteme inteligente de energie și de utilități, inclusiv contoare de energie, infrastructuri critice, sisteme de energie verde, vehicule electrice, modernizarea rețelei, rețeaua inteligentă și orașele inteligente. Aceste aplicații implică adesea conectivitate la periferie și necesită o latență redusă, o comunicare previzibilă și sigură, care poate fi susținută prin IEEE 802.15.4, ZigBee, Bluetooth și alte protocoale. În unele cazuri, acestea pot beneficia de un protocol wireless cu consum redus de energie și debit ridicat, cum ar fi standardul IEEE 802.11 g/n, care oferă acces la rețeaua cu debit ridicat de date pe o rază de aproximativ 300 de metri în aer liber.

În plus, aceste dispozitive wireless trebuie să respecte standardele Comisiei Federale pentru Comunicații (FCC) din SUA, cerințele Institutului European de Standarde pentru Telecomunicații (ETSI) și EN 300 328 și EN 62368-1 din Europa, ale Institutului pentru Inovare, Știință și Dezvoltare Economică (ISED) din Canada, ale Ministerului Afacerilor Interne și Comunicațiilor (MIC) din Japonia și altele. Proiectarea conectivității wireless și obținerea certificărilor necesare pot necesita mult timp, ceea ce duce la creșterea costurilor și la prelungirea timpului de lansare pe piață. În schimb, proiectanții pot utiliza module de comunicații wireless preproiectate și certificate, precum și platforme de dezvoltare care pot fi integrate cu ușurință în dispozitivele inteligente de energie și de utilități.

Acest articol începe prin a trece în revistă mai multe opțiuni și arhitecturi de comunicații pentru rețelele locale și conectivitatea în cloud, inclusiv opțiunile de rețea cu fir și wireless. Apoi oferă mai multe platforme wireless de la Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon și STMicroelectronics pentru implementarea unei conectivități wireless sigure și robuste pentru energie și utilități inteligente, inclusiv medii de dezvoltare pentru a accelera procesul de proiectare.

Oportunități și provocări majore

Oportunitățile mari vin adesea însoțite de provocări la fel de mari. Acest lucru este cu siguranță valabil în cazul implementării energiei și a utilităților inteligente în infrastructura orașelor inteligente. În primul rând, este necesară integrarea eficientă a infrastructurii existente și a celei vechi. Apoi, există necesitatea de a implementa rețele dispersate geografic și eterogene din punct de vedere tehnologic, care să fie eficiente și robuste. În cele din urmă, aceste rețele vor trebui să ofere flexibilitatea necesară pentru a face față evoluțiilor tehnologice viitoare, cum ar fi apariția vehiculelor inteligente și conectate.

De exemplu, sistemele avansate de gestionare automată a traficului pot spori siguranța, pot îmbunătăți consumul de energie și pot reduce impactul mașinilor, autobuzelor și al altor vehicule asupra mediului. În acest caz, sistemul centralizat de gestionare a traficului este conectat la rețea prin intermediul comunicațiilor prin fibră optică cu lățime mare de bandă și prin comunicații wireless de tip backhaul. Alte elemente ale sistemului pot include (Figura 1):

• Routere Ethernet și celulare care acceptă dispozitive compatibile cu IP la nivel local. În unele cazuri, se adaugă Power over Ethernet (PoE) pentru a extinde utilitatea rețelei și a controla costurile.
• Echipamentele vechi pot fi integrate prin conexiuni dedicate și porturi seriale.
• Dispozitivele locale Wi-Fi și Bluetooth pot monitoriza densitatea traficului și pietonii cu date anonime. Datele rezultate pot fi analizate la nivel local și trimise la sistemul central de gestionare a traficului pentru luarea deciziilor și pentru funcții de control la nivel superior.
• O combinație de camere de supraveghere a traficului, senzori precum radarele sau lidar și alte surse de date este utilizată atât de controlerele de trafic avansate locale (ASTC), cât și de centrul de gestionare centralizată pentru optimizarea în timp real a fluxurilor de trafic.

Figura 1: Gestionarea automatizată a traficului într-un oraș inteligent variază de la detectarea prin Wi-Fi a pietonilor și a vehiculelor până la camere de supraveghere a traficului și controlere ASTC și un sistem centralizat de gestionare și control al traficului. (Sursa imaginii: Digi)

Eficiența energetică generală, siguranța publică și reducerea impactului asupra mediului al drumurilor urbane pot fi îmbunătățite prin aplicarea următoarelor:

• Detectarea și reducerea la minimum a congestiei prin modificarea fluxurilor de trafic și a sincronizării semnalelor aproape în timp real, cu o combinație de controale locale și centralizate.
• Ajustarea sincronizării semnalelor pentru a sprijini funcționarea eficientă și în timp util a autobuzelor și a altor forme de transport în comun.
• Echipele de prim-ajutor poate primi rute optimizate în timp real pentru a accelera sosirea lor și pentru a minimiza impactul general asupra siguranței publice.

Orașele inteligente ale viitorului

Orașele inteligente de astăzi încă sunt în mare parte în curs de dezvoltare. Există numeroase posibilități de îmbunătățire și progres. Viitoarele orașe inteligente se vor concentra din ce în ce mai mult pe eficiența energetică integrată și pe îmbunătățirea calității vieții. Vehiculele electrice și vehiculele inteligente sau autonome vor deveni lucruri normale. Acestea vor fi integrate în locuințele inteligente, în infrastructura de încărcare inteligentă, în sistemele de livrare inteligentă și în sistemele de transport de la un capăt la altul, inclusiv în trenuri, trenuri ușoare și autobuze, precum și în robo-taxiuri electrice pentru „călătorii de pe ultimul kilometru”.

Locuitorii vor folosi smartphone-urile pentru o varietate tot mai mare de acțiuni, inclusiv pentru a cumpăra bilete de autobuz și de tren, accelerând procesul și reducând și mai mult impactul transportului asupra mediului. Deși transportul va continua să fie cea mai importantă utilizare a vehiculelor electrice, nu este singura.

Vehiculele comerciale, cum ar fi camioanele, autobuzele, camionetele de marfă și de livrare și echipamentele de construcții, reprezintă aproximativ un sfert din emisiile de CO₂ dintr-un oraș și aproximativ cinci procente din totalul emisiilor de gaze cu efect de seră, potrivit Infineon. Va trebui dezvoltată o infrastructură de încărcare integrată pentru a putea încărca bateriile mai mari ale acestor vehicule comerciale, pe lângă încărcarea vehiculelor de pasageri și a bicicletelor electrice. Infrastructura de încărcare va trebui să fie interconectată și controlată la nivel central pentru a maximiza viteza de încărcare pentru diversele tipuri de vehicule și cazurile de utilizare ale acestora.

Pentru a contribui la reducerea impactului asupra mediului, la îmbunătățirea calității vieții și la utilizarea eficientă a energiei, vor fi necesare rețele wireless complexe în timp real care să monitorizeze funcționarea surselor de energie regenerabilă dispersate, a micro-rețelelor și a sistemelor de stocare a energiei, să optimizeze utilizarea energiei, să gestioneze utilizarea apei și a apelor uzate și să gestioneze o gamă largă de sisteme de transport și de alte sisteme. Aceste rețele în timp real trebuie să fie robuste și să aibă latențe minime (Figura 2). Pentru a sprijini infrastructura orașelor inteligente, proiectanții au nevoie de instrumente care să permită dezvoltarea, implementarea și actualizarea rapidă a rețelelor de comunicații complexe și a dispozitivelor conectate.

Figura 2: Serviciile orașelor inteligente se vor baza pe rețele wireless robuste și în timp real pentru a conecta diverse aplicații. (Sursa imaginii: Infineon)

Rețea securizată cu module wireless

Pentru a implementa rapid o rețea securizată, proiectanții pot utiliza modulele wireless XBee RR de la Digi, bazate pe sistemul wireless pe cip (SoC) EFR32MG2121B020F1024IM32-BR de la Silicon Labs, care include un nucleu ARM Cortex-M33 de 80 MHz și un subsistem de securitate integrat. Modulele XBee utilizează mai multe protocoale wireless și benzi de frecvență, cum ar fi Zigbee, 802.15.4 și DigiMesh, precum și Bluetooth Low Energy (BLE), pentru a susține o gamă largă de arhitecturi de rețea. DigiMesh este un protocol de rețea mesh peer-to-peer care poate reduce complexitatea utilizării Zigbee pentru configurații punct-la-multipunct. Aceste module acceptă BLE și conectarea la un alt dispozitiv BLE.

Conexiunile smartphone pot fi folosite pentru a configura și programa modulele cu ajutorul aplicației mobile XBee. În plus, dezvoltatorii pot utiliza platforma de configurare XCTU, compatibilă cu Windows, MacOS și Linux. XCTU utilizează o vizualizare grafică a rețelei pentru a simplifica configurarea rețelei wireless și un instrument de dezvoltare a cadrelor API pentru construirea rapidă a cadrelor API XBee. Alte caracteristici și opțiuni ale modulelor includ:

• Opțiunile de capsulare includ dispozitive cu micro montaj de 13 milimetri (mm) x 19 mm, cum ar fi XBRR-24Z8UM, module de montare pe suprafață, cum ar fi XBRR-24Z8PS-J, și configurații cu orificii de trecere, cum ar fi XBRR-24Z8ST-J (Figura 3).
• Versiunea PRO este certificată FCC pentru utilizarea în America de Nord, iar versiunea standard îndeplinește standardele ETSI pentru utilizarea în Europa.
• Configurații de module de putere mică și mare
• Rază de acțiune în interior/urbană de până la 90 de metri (m) (300 picioare), în funcție de condiții
• În funcție de condiții, raza de vizibilitate în aer liber de până la 3200 m (2 mile)
• Aplicația integrată de securitate IoT simplifică integrarea securității dispozitivelor, a identității dispozitivelor și a confidențialității datelor

Figura 3: Opțiunile de capsulare pentru modulele wireless Digi XBee includ montaj micro (stânga), montare pe suprafață (centru) și prin orificii (dreapta). (Sursa imaginii: DigiKey)

Gateway-uri inteligente

Modulele Sterling LWB+ de la Laird Connectivity, cum ar fi 453-00084R, sunt module combinate WLAN de 2,4 GHz și Bluetooth de înaltă performanță, concepute pentru dispozitive IoT wireless și gateway-uri inteligente. Acestea se bazează pe circuitul integrat radio pe un singur cip AIROC CYW43439 de la Infineon și dispun de o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 °C la +85 °C, ceea ce le face potrivite pentru o serie de aplicații inteligente pentru utilități, orașe inteligente și energie. Modulele Sterling LWB+ au certificări globale, inclusiv FCC, ISED, EU, MIC și AS/NZS.

Modulele Sterling LWB+ includ controlul accesului la mediu (MAC), banda de bază și radioul, plus un UART independent de mare viteză pentru interfețele Bluetooth. Laird Connectivity și Infineon acceptă cele mai recente drivere Android și Linux. Antena integrată cu cip este rezistentă la dezacordare și simplifică proiectarea și fabricarea sistemului. Seria Sterling LWB+ este un sistem în pachet (SIP) și este disponibilă cu un pin de urmărire, o antenă integrată cu cip sau un conector MHF4. De asemenea, acestea includ criptarea WPA/WPA2/WPA3. Aceste module sunt disponibile în patru tipuri de capsulare pentru a îndeplini cerințele diverselor modele de sisteme și cerințe de aplicații (Figura 4).

Figura 4: SIP Sterling LWB+ de bază (stânga), modulul cu conector MHF (al doilea din stânga), modulul cu antenă integrată (al treilea din stânga) și conectorul periferic de placă (dreapta). (Sursa imaginii: Laird Connectivity)

Sterling-LWB+ include o intrare și ieșire digitală securizată (SDIO) de înaltă performanță, care permite integrarea ușoară cu orice sistem bazat pe Linux sau Android. Pentru a accelera dezvoltarea dispozitivelor IoT wireless și a gateway-urilor inteligente, proiectanții pot utiliza kitul de dezvoltare 453-00084-K1, care include modulul 453-00084R cu un conector MHF integrat (Figura 5).

Figura 5: Această placă de dezvoltare include modulul Sterling LWB+ 453-00084R de la Laird cu un conector MHF integrat (Sursa imaginii: Laird Connectivity)

Noduri de senzori wireless de calitate industrială

Nodurile de senzori wireless sunt o parte importantă a energiei inteligente și a utilităților din orașele inteligente. Pentru a-i ajuta pe proiectanți să facă față complexității proiectării, prototipării și testării rapide a nodurilor avansate de senzori wireless, STMicroelectronics oferă kitul de dezvoltare și proiectul de referință STEVAL-STWINKT1B SensorTile. Acesta include o placă de expansiune X-NUCLEO-SAFEA1A care acceptă autentificarea dispozitivelor IoT și gestionarea securizată a datelor, un modul emițător-receptor Bluetooth BLUENRG-M2SA și un microfon MEMS IMP23ABSUTR. Microfonul MEMS este proiectat pentru a fi utilizat cu microcontrolerul de foarte mică putere integrat pentru analiza vibrațiilor cu 9 grade de libertate (DoF), pentru datele de detectare a mișcării într-o gamă largă de frecvențe de vibrații de la 35 Hz până la ultrasunete. De asemenea, acesta include un accelerometru, un giroscop, un senzor de umiditate, un magnetometru și senzori de presiune și temperatură.

Kitul de dezvoltare SensorTile include accesul la o serie de pachete software, biblioteci de firmware și aplicații pentru panouri de bord în cloud pentru a accelera dezvoltarea unor sisteme de senzori IoT complete, de la un capăt la altul. Un modul integrat asigură conectivitatea BLE, emițătorul-receptorul RS484 acceptă conexiuni prin cablu, iar placa de expansiune plug-in STEVAL-STWINWFV1 oferă conectivitate Wi-Fi. Placa principală include un conector STMod+ pentru adăugarea de plăci secundare cu factor de formă mic bazate pe familia de microcontrolere STM32. În cele din urmă, kitul de dezvoltare este format dintr-o baterie cu polimeri de litiu de 480 mAh, o sondă de depanare și programare autonomă STLINK-V3MINI și o cutie de plastic (Figura 6).

Figura 6: Kitul de dezvoltare STEVAL-STWINKT1B SensorTile și proiectul de referință includ o suită cuprinzătoare de senzori de mediu și suport pentru mai multe opțiuni de conectivitate. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Rezumat

Este nevoie de o varietate de protocoale de conectivitate wireless pentru a răspunde nevoilor sistemelor inteligente de energie și de utilități din orașele inteligente. Aceste sisteme pot spori eficiența energetică, pot îmbunătăți siguranța publică, pot sprijini o utilizare mai eficientă a apei și a energiei și pot reduce emisiile de CO₂ și de gaze cu efect de seră. După cum s-a arătat, există o varietate de module wireless și medii de dezvoltare pentru protocoalele wireless Wi-Fi, Zigbee și Bluetooth Low Energy, care pot oferi conectivitatea sigură și robustă necesară pentru energia inteligentă și utilitățile din infrastructurile orașelor inteligente.